（化工过程机械专业论文）磁流变液的制备及阻尼性能研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师； 磁流变液的制备及阻尼性能研究 化工过程机械 王治国( 签名) 王金刚( 签名) 摘要 本文首先对磁流变液的稳定机理进行了分析，提出了在外界扰动下磁流变液的再分 散能力，指出粒径分布和剩磁引起的磁吸引力是影响磁流变液再分散能力的主要因素。 筛选了l d t - 5 0 磷化羰基铁粒子作为固体粒子、油酸作为表面活性剂制备磁流变液。采 用球形、平均粒径为1 0 r i m 的f e 3 0 4 粒子作为稳定剂，加入到磁流变体系中，研究了表 面活性剂用量和纳米f e 3 0 4 粒子加入量对体系粘度和稳定性的影响，得出了稳定性好的 材料配比。所制得的磁流变液密度p = 1 3 4 3 1 0 3 k g c m 3 ，2 0 ( 3 粘度玎= o 5 1 p a s ，体积分数 为( o = 1 7 3 。 其次，采用自制的管道流动式磁流变测试器件，用实验的方法测量了本文制备的磁 流变流体的剪切屈服应力随磁场的变化关系。测试结果表明，在外磁场作用下，本文制 各出的磁流变液的剪切屈服应力基本达到了磁流变器件的使用要求。 最后，运用c o m s o lm u l t i p h i s i c s 有限元分析软件，采用正交实验的方法研究了磁极 结构参数对磁流变阻尼器阻尼间隙最大磁感应强度的影响，得出了阻尼间隙磁感应强度 与其主要影响因素之间的关系。将磁流变液当成粘塑性流体，分析其在阻尼器中的流动 规律，得到了阻尼力得计算模型。用无量纲方法研究了磁流变阻尼器设计参数与设计要 求之间的关系，归纳出了无量纲设计步骤，并对磁流变阻尼器的边界滑移现象进行了定 性分析。 关键词；磁流变液制备有限元分析阻尼无量纲边界滑移 论文类型：应用研究 ( 本文得到陕西省教育厅专项科研计划纳米磁性流体密封技术研究，项目号 0 4 j k 2 0 3 研究资金的资助) u 英文摘要 s u h j e c t ： s p e c i a l i t y ： m e ： i n s t r u c t o r ： s t u d yo np r e p a r a t i o na n dd a m p e r c h a r a c t e ro fm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo r g a n i s mo f m r f ( m a g n c 吼o r h e o l o g i c a lf l u i d ) i sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e i r r e , d i s p e r s i b i l i t y ，w h i c hi si n f l u e n c e db yt h ep a r t i c l e sd i m e n s i o na n dt h e i rr c a x m a n tm a g n e t i s m ， w a sp u tf o r w a r d i no r d e rt op r e p a r i n gf o ras t a b i l em r f , t h e c a r b o n y li r o nl d t - 5 0 c o a t e dw i t h p h o s p h o r u sa n do l e i ca c i d 嬲as u r f a c t a n t , w e r es e l e c t e d 1 1 1 en a n o f e 3 0 4p a r t i c l e s , w h o s e a v e r a g es i z ei sl on ma n dt h e i rs h a p ei ss p h e r e w c i em i x e d t om r f t h ep r o p o r t i o n so fa d d i n g n a n o - f e 3 0 4a n do l e i ca c i d ，w h i c hp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t a b i l i t yo fm rf l u i d ，w e r e s t u d i e da n do b s e r v e d t h eo p t i m i z e dm i x r l r er a t i o nw a so b t a i n e d t h ed e n s i t yo fp r e p a r e dm r f l u i di s p = 1 3 4 3 x 1 0 3 k g c m 3 ，t h ev i s c o s i t y r = 0 5 1 p a - sa n dt h ev o l u m ef r a c t i o ni sq = 1 7 3 i na d d i t i o n , t h ey i e l ds u e s so f 脚p r e p a r e db yo u rw o r kw a st e s t e du s i n gc o n d u i tf l o w m o d e lt e s te x p e r i m e n t sm a d eb yo u r s e l v e s i ti si n d i c a t e db yo u re x p e r i m e n t st h a tt h em r f p r e p a r e di no u r w o r ko b t a i n e da p p l i c a t i o nr e q u e s t a tl a s t , t h em a g n e t i cp o l es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，w h i c hi n f l u c e dt h em a g n e t i ci n d u c t i o n o ft h em rd a m p e rg a p ，w e r es t u d i e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，c o s m o l m u l t i p h i s i c so i lo r t h o g o n a le x p e r i m e md e s i g n t h ec h a n g i n gr u l e so ft h em a g n e t i ci n d u c t i o n o nt h em rd a m p e ri n f l u e n c e db yt h e i rm a j o rf a c t o r sw e r es t u d i e d m o r e o v e r , a s s u m i n gt h a t m r fi sa 虹n do fv i s c o p l a s t i c i t y , t h eh y d r o d y n a m i c sl a w so fm r fi nt h eg a po fd a m p e rw a s a n a l y z e d u s i n gt h en o - d i m e n s i o nm e t h o d ，t h ed e s i g no fi v l r fd a m p e rw a sg o t t h eb o u n d a r y s l i pe f f e c tw a sa n a l y z e du n d e rq u a l i t a t i v el e v e l k e y w o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a if l u i d ( m r d ，p e r p a r a t i o n ，f i n e t ee l e m e n ta n y l y s b 。 d a m p e r , n o n d i m e n s i o n ，b o u n d a r ys f i p t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h i sp a p e ri s s u p p o r t e db y e d u c a t i o n s p e c i a lr e s e a r c hf o u n d a t i o no fs h a a n x i p r o v i n c e ，c h i n a ：t h es t u d yo nl l a n o f e r r o f l u i ds e a l i n gt e c h n o l o g y , n u m b e r ：0 4 k 2 0 3 ) i i i 主要符号表 主要符号表 m s饱和磁化强度( c m u g ) b 磁感应强度( t ) 声 介质磁导率( h m ) 以 相对磁导率 f 剪切应力( p a ) “ 磁流体在管道中流动的速度( m s ) q 流量( m 3 s ) 戤 磁阻( 亨利。1 ) e 电场强度( v m ) h 减振器活塞与缸体的间隙( 姗) s 磁路的间隙处的横截面积( m 2 ) 肘 磁化强度( a m ) ，7 粘度( p a - s ) 九 无量纲动态性能参数 龙无量纲b i n g h a r n 数 f 磁流变阻尼器总阻尼力 昂，e 粘滞阻尼力、库仑阻尼力 只 摩擦阻尼力( n ) v h 密度( k g m 3 ) 磁场强度( a m ) 真空磁导率，胁2 4 万1 0 。h m 磁流变液的剪切屈服应力( p a ) 管道两端压差( p a ) 线圈匝数( n ) 电流密度( a m ) 活塞运动速度l n ，s 哈密顿算子 励磁线圈中电流( a ) 磁通量( w b ) 位移场( c m 2 ) 减振器缸体半径( r a m ) 阻尼力参数 磁流变阻尼器无量纲几何参数 阻尼器环形间隙内、外半径( r a m ) 环形间隙内柱流区内，外半径c r a m ) 阀式阻尼力和剪切阻尼力0 d 玛 屹 e p 日鳓 h 肇 ， v v ，爹 d r 办力 易 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：! 塑! 至1日期：史丑! ： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名 了添闭 日期： 日期： 砂订i 团。 ! ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 磁流变液制备和阻尼性能研究概述 1 1 1 磁流变液制备技术 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简称m r f ) 是磁致流变流体的简称，它是将磁 性颗粒( 0 0 5 1 0 p r o ) 均匀分散在非磁性液体中形成的稳定悬浮体。这种材料的剪切屈 服应力、表观粘度等流变学指标可以随着外加磁场的改变而实现可逆调节，属于智能流 体的一种。磁流变体在智能控制、减振，以及流体密封、研磨等领域展示出极具诱人的 应用前景。 1 9 4 8 年r a b i n o w 1 】发明磁流变液以来，由于与在电场作用下同样可以产生流变效应 的电流变液( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简称e r f ) 相比，磁流变液存在悬浮稳定性差、 应用装置磁路设计复杂的缺点，因此在2 0 世纪8 0 年代中期以前没有得到应有的关注。 从8 0 年代中期后，由于e r f 的屈服强度太低，一般只有几千帕，使其商业应用迟缓， m r f 及其相关装置的研究才得到了重视。在随后的几十年时间里，m r f 及其相关装置 的研究取得了惊人的迸展。 与纳米磁流体不同，磁流变液中磁性粒子的粒径较大，布朗运动不能阻止粒子的沉 降，稳定性较差，发生严重沉降后失去应用价值。国内磁流变液的研究开展较晚，目前 仅有重庆仪表研究所出售羰基铁磁流变液，但众多学者都对改进磁流变液的稳定性提出 了很有效的改进方法。图1 1 描述了磁流变液制备技术的研究现状以及为了改善稳定性所 采取的措施。适当的表面活性剂是改善稳定性的最基本条件，表面活性剂会有效地防止 粒子之间的团聚，但却无法阻止单个粒子的沉降，于是出现了以下几种改善稳定性的方 法。 ( 1 ) 采用表面包覆有机聚合物的方法既可以改善磁性粒子表面特性，又可以降低密 度，是磁流变制备技术发展的一个重要方向。文献f 2 】用聚丙烯酸酯包覆磁性颗粒，加强 了分散相和连续相的结合，减小了粒子密度，可以得到一种稳定性高、磨损小的磁流变 液。文献【3 】用亲水性高聚物聚乙二醇在羰基铁表面形成包覆，来制备水基磁流变液。获 得了较高的稳定性。 ( 2 ) 利用磁饱和强度更高的磁性合金粒子制备磁流变液，可以减小粒径，达到稳定 分散的目的。杨佳清【4 】使用f e c o 合金或f e n i 合金微粒制各的磁流变液比传统的磁流变 液有更高的屈服应力。江万权等( 5 j 使用化学方法在铁粉表面析出纳米尺寸的钴微粒，此 种合金状态的磁性颗粒对提高磁流变液的屈服应力非常有效。 上述两种方法的缺点是制备工艺复杂，成本较高。采用大小粒子混合的方式制备磁 流变液不仅能够提高稳定性，而且制备方法简单，近年来受到很大关注。o s a m a a s h o u 一 等在他们的研究中用一种较大的软磁颗粒和一种较小的硬磁颗粒的混合物作为磁性颗粒 两安石油大学硕士学位论文 来制备磁流变液，可以得到较好的稳定性。软磁材料是多畴颗粒，表现出顺磁性并有较 大的饱和磁化强度，但是剩磁或矫顽力极小。另一方面，硬铁磁材料有较高的剩磁和矫 顽力，如直径为0 1 1 o 岬的针状c r 0 2 ，细小的c r 0 2 吸附在羰基铁颗粒的表面，使合成的 磁流变体有较高的稳定性，并能提高其流变性。文献【7 】采用高温分解羰基铁粒子的方法 获得平均粒径为2 8 r i m 的纯铁粒子，将其与微米级的羰基铁粒子混合制得磁流变液，结果 表明，在磁场作用下，混合后磁流变液的链状结构更加清晰，成链作用强。体积分数相 同时，大小粒子混合后的磁流变液流变性能高于纳米磁流体，而稳定性和再分散能力均 高于纯微米级的磁流变液。文献【8 】报道在磁流变液中加入纳米级的硅胶粒子，有利于提 高悬浮液的沉降稳定性。 图1 1 磁流变液制备技术的研究概述 各主要工业国家竞相发展这一高新技术。从1 9 9 5 年起，两年一届的国际电流变会议 也易名为国际电磁流变会议。在应用方面，美国l o r d 公司磁流变材料年产量达数百吨。 磁流变液减振器已安装在汽车、桥梁上使用，成为商品。磁流变液在其它领域也有着多 种应用，如磁流变制动器、康复器材、磁流变抛光技术等 9 1 。 然而，磁流变液制备技术发展的较晚，许多制备方法仍然停留在实验阶段。存在的 主要问题是固体粒子的沉降稳定性较差，沉降后容易结块，不易再分散。在空气中也极 易发生氧化，使得磁流变液的磁性降低。另外，粒子相互间的磨损问题也非常严重，同 时与壁面之间也有摩擦存在，使得较大的铁粒子磨损或破裂变小，磁性能降低且零场粘 度增加，严重时丧失流动性。这种效应称为剪切变稠作用l l ”，因此必须增加羰基铁粒子 的耐磨性。 1 1 2 磁流变体阻尼特性研究 磁流变体在外加磁场作用下，磁性粒子会沿磁场方向形成链状结构，在垂直于磁场 方向产生类似固体的屈服效应，称为磁流变效应。当流体在外加磁场作用的管道中流动 时，会由于流体的屈服特性产生附加的阻尼力，称为磁流变流体的阻尼特性。将磁流变 第一章绪论 液用于减振器的工作介质，通过调节磁场强度的大小可以改变磁流变体的剪切屈服应力， 从而实现阻尼力的可逆调节。 如图1 2 所示，磁流变阻尼性能研究包括三个方面，即磁流变液流变特性研究和阻 尼器件的设计。前者是设计磁流变器件的基础；后者通常可以分为磁路部分的结构设计 和流体部分的设计。 豳l - 2 磁流变液阻尼特性研究现状概述 a 磁流变体屈服应力实验研究磁流变流体屈服应力的影响因素极其复杂， 磁性粒子的饱和磁化强度、粒子体积百分比、外磁场强度是影响磁流变流体屈服应力的 主要因素。目前，磁流变体剪切屈服应力的理论模型还不成熟，屈服应力与外磁场之间 的关系主要由实验进行测试。 磁流变液流变特性测试原理采用了不同的方法，目前的商业磁流变仪基本上分为管 道流动式和平行平板式，而基于挤压模式的磁流变测试系统还处在初始研究阶段。哈尔 滨工业大学的王玉拴等研制了平行平板式磁流变测试系统，将其用于磁流变液流变学参 数检测，取得了较好的效果。安东帕公司的p h y s i c am r c 3 0 0 磁流变仪是一种典型的应用 平行平板式测试磁流变液流变性能的仪器，k l a u s w oi l n y 等用其测试了磁流变液的流变 性能。美国t a 仪器公司也有商业化的平行碟片旋转式的流变仪【1 1 】。对于碟片旋转式测试 方法来说，当旋转碟片转速过大时，测试结果会受到离心力的影响，存在壁面滑移效应， 应用范围受到限制。在磲片旋转式测试方法中，由于电机转速的限制，致使这种方法不 能用于高剪切速率下流变性能的测试。管道流式测试系统可以减小边界滑移，而且更加 接近于阻尼器中磁流变液的流动模式。缺点是会在磁场处聚集产生附加阻力，测量的屈 服应力值偏高。美国r h e o l o g i c s i n c e x t o n p a 公司生产了一种管道流动式测试仪，中国科 技大学的金昀等【”l 了管道流动式测试系统，但其结构简单，外压由重力砝码提供，测量 范围小，也只能用于静态测试。文献 1 3 硼管道流动式测试系统测试了高剪切速率下磁流 变液的阻尼特性。 西安石油大学硕士学位论文 商业流变仪厂家生产的磁流变测试仪价格非常昂贵，如安东帕公司的p h y i s i c am r c 磁流变仪售价高达1 0 万美元。美国1 a 公司磁流变仪售价也高达上百万人民币【1 4 】。由于 大多数磁流变器件中磁流变液都处于流动模式，基于流动模式的磁流变测试系统结构简 单，又可以用于测试高剪切速率下的流动规律，因此有着极其广泛的应用前景。 b 磁流变阻尼器研究磁流变阻尼器研究涵盖了材料学、流变学、电磁学以及 控制等诸多领域。总的来说可以分为阻尼器结构设计、阻尼器动态实验建模和和控制算 法研究三个方面。美国在此领域处于领先地位，其次是日本和德国，而我国的m r 阻尼 器的研究几乎是与国际同步，但是在原理上取得明显进展的研究还比较少，目前的重点 主要是放在m r 阻尼器的器件本身结构上的改进和创新上。 磁流变阻尼器按照工作模式可以分为剪切阀式、旋转式和挤压式，其中剪切阀式最 常用。近几年，国外学者在m r 阻尼器的器件本身设计方面取得了较大的进展，例如 c a r l s o n ! ”】，k o r d o n s k y ，m i n a g a w a t 州提出m r 阻尼器的优化设计方法。l o r d 公司，福特 公司，b a s f 等纷纷投入巨资，开发各种商业化的磁流变应用器件和系统。l o r d 公司开 发的一种型号为m r x 1 2 6 p d 的汽车座椅悬架阻尼器为单筒式结构，采用压缩氮气作补 偿器，阻尼孔为环形分布，在活塞头上绕有电磁线圈并通过活塞杆引出电源线。 m _ r x 1 2 6 p d 阻尼器直径4 1 c m ，两连接孔中心距离为1 7 9 c m ，活塞行程为士2 9 c m ，阻 尼器内填有7 0 c m 3 的磁流变液，在阻尼器工作时，活塞中发生流变效应的磁流变液为 0 3 c m 3 ，输入电流为l a 时，其输入功率为5 w t l 7 1 。文献【1 8 】运用粘弹性流体模型设计了足 尺寸磁流变阻尼器，并且对设计的阻尼器进行了实验测试，运用神经网络对磁流变阻尼 器进行动态建模。国内方面，自2 0 0 0 年以来申请有关磁流变阻尼器的专利就多达上百项。 黄中华等将电磁阀、阻尼通道和液压缸并联，研制出了旁路式磁流变阻尼器【1 9 1 。李辉、 龚兴龙等研制出高性能多片旋转式磁流变阻尼器【2 0 】以及陈吉安、廖昌荣等人1 2 1 1 也对汽车 悬架减振中的m r 阻尼器的设计、试验、运行性能分析等方面进行了深入的研究和探讨。 文献 2 2 1 对阻尼间隙进行了改进，提出了具有圆环和圆盘结构的磁流变阻尼器。从研究方 法上来看，有限元方法可以实现磁性材料的非线性分析，逐渐替代了传统的磁路计算法 来设计磁流变阻尼器的磁路结构。文献【2 2 1 1 2 3 】均采用有限元方法计算了相应的阻尼器磁 场。另外，磁流变体在外磁场作用下属于非牛顿流体，一定条件下会发生边界滑移现象， 目前关于磁流变体的边界滑移现象很少有人进行讨论 2 4 1 。 磁流变体减振器在半主动振动控制方面显示出了卓越的性能。图l - 4 为美国d e l p h i 汽车公司开发的用于汽车悬架系统的磁流变减振系统结构图，此减振系统可以根据振幅 的大小改变阻尼力，实现阻尼力的智能控制，有效地提高汽车的动力性能。在结构震动 控制领域磁流变减振器同样展示出了优良的性能，2 0 0 1 年，日本s a n w at e k k i 公司应用 美国l o r d 公司的磁流变液研制开发磁流变阻尼器首次应用于日本东京国家新兴科技博 物馆- n h o n k a g a k u m i r a i k a n 建筑的地震反应控制。2 0 0 1 年我国岳阳洞庭湖大桥上首 次安装了3 1 2 个美国l o r d 公司生产的s d 1 0 0 5 型磁流变阻尼器，用于斜拉索风雨激励 4 第一章绪论 的控制，该阻尼器的结构图如图1 5 所示，活塞采用三阶段两线圈缠绕，最大阻尼力为 1 8 0 k n 。哈尔滨工业大学的欧进萍等人将自行研制开发的磁流变阻尼器用于山东滨州黄 河大桥2 0 根斜拉索的风雨激励控制，该工程已经与2 0 0 3 年竣- - f 1 2 5 1 。 n e c l z i cl e a d s m rf l u i d c a 丑 围1 - 3l o r d 公司的r d - 1 0 0 5 - 3 m r 阻尼器的实物图和内部结构图堋 闰1 - 4l o r d 公司生产的1 8 0 k n 阻尼力减振器f l s l 1 2 本文的研究目的与意义 虽然磁流交技术具有很多优点，在工业上有着广阔的应用前景，然而目前此项技术 在国内并未得到广泛应用，主要原因是磁流变液的制各技术和阻尼特性研究还不够完善。 磁流变液的沉降稳定性是其广泛应用的首要条件，其影响因素极其复杂。目前提高 稳定性的方法如图1 1 所示。本课题将针对影响其稳定性的主要因素进行理论分析和实 验研究。目的是研究稳定性好、在外界扰动下再分散能力强的磁流变液的材料配比。 西安石油大学硕士学位论文 图l 一5d e l p h i 公司汽车的悬架系统结构图o w 磁流变液在外磁场下的阻尼特性是磁流变阻尼器设计的基础。由于磁流变仪的价格 非常高，而减振器内的流体一般是基于流动方式进行工作，用流动模式进行磁流变性能 测试更能实际反映磁流变液在阻尼器内的流动行为。此外，流动模式测试系统成本低廉， 原理简单。磁场部分可以与流体通道隔开设计，磁场大小可以通过特斯拉计直接测量出， 避免了磁路计算法带来的误差，通过外加电源可以直接调节磁场。本课题针对市场上商 业磁流变仪价格高、基于剪切模式的磁流变测试仪的边界滑移现象，自行设计了用于测 试磁流变性能的管道流动式测试系统，并用其测试了本课题制备的磁流变液的静态屈服 应力。 近年来，有限元方法被广泛用做各种物理场的分析和模拟。采用有限元软件进行磁 场部分的设计能够预测漏磁效应和磁性材料非线性带来的计算误差。利用正交实验方法 安排实验可减小仿真实验的次数，各个因素的影响都能均衡考虑。因此本文采用有限元 方法，利用正交实验来安排仿真实验，分析磁流变减振器的磁路结构参数对阻尼间隙磁 感应强度的影响，为磁流变减振器的设计带来一定的参考。 无量纲方法分析方法设计磁流变阻尼器无疑会提高设计效率，推进磁流变器件设计 的规范性。本文引入无量纲参数，可以方便的研究流体的流变学参数、阻尼器结构尺寸 与设计变量之间的关系，为磁流变器件的商业应用奠定良好的理论基础。此外，非牛顿 流体在一定情况下会发生边界滑移现象，本课题还对磁流变液的边界滑移现象进行了初 步的定性探讨。 6 第一章绪论 1 3 本文的研究内容 1 3 1 磁流变液的制备技术研究 如图1 6 所示，本文根据磁流变液的稳定机理，提出了外界扰动下磁流变液的再分 散能力，运用实验测试和理论分析的方法，从三种市场上常见的羰基铁粒子中筛选了再 分散能力强、耐磨损的羰基铁粒子作为固体粒子。利用二甲基硅油作为载液，运用透射 电镜分析磁流变体系的微观结构，结合沉降率的定量分析，研究了表面活性剂种类和用 量对稳定性的影响，根据小粒子对大粒子的空间位阻效应，采用共沉淀法制备纳米f e 3 0 4 磁性粒子，将其与羰基铁粒子混合使用，研究混合体系的沉降稳定性和分散特性，与单 纯使用的羰基铁体系进行对比，得到最佳的纳米f e 3 0 4 掺入比例。 图l - 6 本文制备部分的研究内容 1 3 2 磁流变液阻尼特性研究 图i - 2 描述了磁流变液阻尼特性研究现状，针对目前存在的问题，本文提出以下研 究内容： a 自行设计基于流动模式的磁流变准静态屈服应力测量系统。利用拉伸试验机提 供外力，在准静态流动模式下。研究磁流变液在不同磁场作用下阻尼力随位移的变化关 系，分析本文制备的磁流变液的剪切屈服应力随外加磁场的变化关系。 b 磁流变阻尼器的磁场仿真与磁极结构优化。采用c o m o s o lm u l t i p h i s i c s 有限元计 算软件，对剪切阀式磁流变减振器的磁场进行分析，考虑了边界上的漏磁效应，运用正 交实验设计的方法设计仿真实验，研究磁极参数对阻尼间隙处磁感应强度的影响，得到 磁流变阻尼器的最佳磁路结构参数，为两阶段磁流变减振器和三阶段磁流变减振器的磁 路设计提供了一定的参考。 c 磁流变阻尼器的流场分析和无量纲设计。将磁场作用下磁流变液看成是粘塑性 非牛顿流体，运用宾汉流体的本构模型研究磁流变液在阻尼间隙的流动规律，建立阻尼 力的计算模型。在此基础上，引入无量纲宾克汉姆数、无量纲动态性能参数、无量纲几 西安石油大学硕士学位论文 何参数和阻尼力参数，并研究了四个参数之间的关系，运用四个无量纲参数对磁流变阻 尼器的设计方法进行归纳，并对流体的边界滑移现象进行了定性分析，为磁流变技术的 进一步应用提供了一定的参考。 1 4 课题来源 陕西省教育厅专项科研计划纳米磁性流体密封技术研究，项目号0 4 j k 2 0 3 。 第二章磁流变液的性质 第二章磁流变液的性质 2 1 磁流变液的组成 如图2 - 1 所示，磁流变体是两相多组分的悬浮体，它主要是由三部分组成，一是作 为分散相的固体粒子，二是作为载体的基液，三是为了改善磁流变体性能而加入的添加 剂。其中包括促进磁流变效应的表面活性剂和防止粒子凝聚的分散剂以及防止沉淀的稳 定剂等。不同的组分使得这种液体具有不同的性能。与纳米磁流体相比，磁流变液中固 相离子的尺寸范围一般为o 5 5 0 m ，布朗运动无法阻止离子的沉降，必须采用别的办法 来阻止其沉降，而磁流体中粒子尺寸范围一般为l 1 0 n t o ，布朗运动可以使其在基液中 形成稳定的胶体。 广义上的磁流变液应该是由纳米至微米尺度的颗粒与液体混合而成的复杂流体。 1 固体粒子2 裘面活性剂3 载疆 图2 - 1 磁流变液的组成 2 2 磁流变效应 当没有外加磁场时，磁流变液中磁性粒子呈随机分布，流体为牛顿流体。外加磁场 下磁流变液中的磁性粒子沿磁场方向呈链状分布，如图2 - 2 所示，流体变为非牛顿流体。 磁场作用下磁流变流体流变行为的数学描述是其研究的重点。没有外加磁场时，磁 流变液可以认为是牛顿流体，其本构方程为： r = 吼( 1 + 2 却) y ( 2 1 ) 其中，仉为基液的粘度，尹为磁性颗粒的体积百分数，) ，为剪切速率。在外加磁场作用 时，磁流变液表现出拟塑性非牛顿流体的流变性。在不考虑剪切稀化或稠化作用时，可 以用宾汉模型是用来描述其本构关系： f = f 。( 圩) s g n ( r ) + t 7y(2-2) 其中f ，( 日) 为磁流变液的剪切屈服应力，是磁场强度的函数。图2 3 描述了磁流变液在 9 西安石油大学硕十学位论文 磁化和非磁化情况下的本构关系。 ( a ) 无外加磁场时颗粒的随机分布 ( b ) 外加磁场下颗粒呈链状分布 ( c ) 外加磁场增强时链的数量增加直径变粗 图2 - 2 粒子极化后的有序运动和排列即 由于b i n g h a m 模型不能够描述磁流变液的剪切稀化现象，考虑剪切稀化或稠化现象 时采用h e r s c h e l - - b u l k l e y 模型： i o 第二章磁流变液的性质 r = r o ( h ) + k 闹s 面， 沼s ， 此处m ，k 为流体参数，m ，k 0 。比较式( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 可知粘度： 哗旷 c 2 4 ， 当m l 时，粘度随着剪切速率的增大而减小，即剪切稀化。当m l 时，则可描述剪切 稠化现象。m = l 时，h e r s c h e l - - b u l k l e y 模型退化为b i n g h a m 模型，此时叼= k 。 l 学一晌一 t 0 ? 敏n 血r 螗 h 围2 - 3 磁流变液的粘弹性本构模型【l q 磁流变液的屈服应力的理论公式计算结果与实际相差仍然很大，目前的主要办法是 采用实验拟合的办法得到屈服应力的计算公式。对于一定体积分数的磁流变流体，屈服 应力与磁性粒子的饱和磁化强度j 】i 磊和外磁场强度日的关系可以表示为： f 。= a m , 2 + 6 日2 + c m , h ( 2 - 5 ) 其中口、6 、c 为实验拟合系数。 2 3 磁流变液稳定性理论 2 3 1 分散体系的稳定性 分散体系的稳定性，实际上是指其某些性质，例如分散相浓度、颗粒大小、体系的 粘度及密度等有一定程度的不变性。宜采用热力学稳定性、动力学稳定性和聚沉稳定性 三者来表征i z7 j ： a 热力学稳定性胶体分散体系和粗分散体系都是热力学不稳定体系。 b 动力稳定性动力稳定性是指在重力场或者其它梯度场中。体系颗粒从分散 介质中析离的程度。 西安石油大学硕士学位论文 直径为d 的胶体颗粒在时间t 内x 方向上的平均位移 ( 2 6 ) 其中 ，a 为a v o g a d r o 常数，值为6 2 3 x 1 0 。j k ，t 为绝对温度，r 7 为介质粘度，d 为粒子 的直径。大于l 微米的粗分散颗粒，在分散介质中作匀速运动时，按照s t o k e s 的小雷诺 数假设，其沉降或者上浮的速度为： v ：2 a ( p - p o ) g( 2 7 ) 知 当体系中固体粒子半径小于1 微米时，液体分子的布朗运动对固体粒子的碰撞可以 阻止固体粒子在重力作用下的沉降。例如在2 0 ( 2 的水中，颗粒半径为l 纳米时布朗运动 产生的粒子速度为2 0 7 t t m s ，斯托克斯沉降速度每秒为4 3 6 纳米，颗粒半径增大到l 微 米时布朗运动速度只有0 6 5 6 9 m s ，而沉降速度为4 3 6 9 m n 。可见粒子半径增大到l 微米 时，布朗运动效应可以忽略，颗粒处于动力学不稳定状态，因此只受重力作用时，磁流 变体系一般是动力学不稳定体系。 c 聚集稳定性磁流变液的聚集稳定性是指体系的分散度是否随着时间的变化 而言的，即体系中微粒随时间的延续而产生聚集的程度。磁流变液的聚集主要是因为粒 子的剩磁矩引起粒子之间的磁吸引，这种团聚一旦形成便很难再次分散开。聚集稳定性 好的分散体系固体粒子间不会因为磁吸引力而产生聚集。这是因为表面活性剂在粒子外 层形成了一定厚度的包覆层，如图2 - 1 所示，在粒子之间形成了空间位阻效应，阻止了 粒子之间的团聚。 上述对稳定性的分类表明，磁流变体系的固体粒子直径范围为微米级时，体系属于 热力学不稳定体系：磁流变体系的聚集稳定性主要取决于粒子之间的作用能。良好的表 面活性剂和其它稳定剂可以在粒子表面形成排斥效应，防止粒子的团聚，增加其聚集稳 定性；磁流变液的动力学稳定性主要是受外界作用的影响，零磁场下静止的磁流变液属 于动力学不稳定体系。 2 3 2 磁流变流体稳定机理 磁流变流体稳定机理涉及到胶体与表面化学、微纳米粉体技术等诸多领域，其各相 间作用力极其复杂。主要有弥散质粒子间的磁力作用，重力场、其它梯度场对磁流变液 的作用以及范德华引力等。 磁流变流体分散制备过程可以分为三个阶段，即固体粒子的润湿阶段、分散阶段、 以及稳定阶段【2 8 1 。如图2 - 4 所示。在润湿阶段，表面活性剂取代磁性粒子表面上的吸附 物如空气、水等，使磁性粒子表面的固体空气( 水) 界面变成固液界面。润湿阶段的 主要任务是降低固体粒子的表面张力，使其与载液的表面张力基本相等。影响润湿阶段 的主要因素有粒子和润湿剂的表面张力、粒子的粒度、比表面积及以及载液的粘度等。 第二章磁流变液的性质 润湿是分散的必要条件，但由于粒子间的引力，粒子在液体中能以集块的形式被润湿而 不会自行解体分散。分散过程必须保证表面活性剂在每一个粒子表面形成吸附层。由于 分散过程必须克服粒子之间的引力，因此需要外界做功。 图2 - 4 磁流变流体的稳定的三个阶段 表面活性剂在粒子表面的吸附是分散体系稳定的一个重要因素。这种稳定是由斥力、 渗透压力和类似保护胶体的综合作用引起，称为空间位阻稳定机理。如图2 5 a 所示，表 面活性剂在粒子表面形成稳定的吸附层，可以增加粒子之间的斥力，从而增强磁流变体 系的聚集稳定性。由于磁流变体系固体粒子粒径大于0 1 “m ，布朗热运动不能阻止粒子 的沉降。所以单纯在重力场作用下的磁流变体固体粒子肯定要发生沉降。但是磁流变液 处在工作状态时总是要受到外界的扰动，例如减振器中活塞的运动和磁场的作用等。在 外界扰动作用下磁流变液的稳定性问题主要取决于磁性粒子在扰动作用下重新恢复悬浮 的能力，称为磁流变体的再分散性。再分散性对磁流变液本身的要求就是磁性微粒不发 生团聚。如果磁性微粒发生团聚，因为彼此间存在剩余磁矩或者短程吸引力，即使外界 扰动大也难以分散开。团聚体的出现会使磁流变液在磁场作用下成链作用减弱，因此磁 流变体的制备主要解决磁性颗粒在载液中的聚集问题，即提高聚集稳定性。 2 3 3 表面活性剂的作用机理 表面活性剂是些长链的两亲分子，其分子链长度大约为几个到几十个纳米，具有 链段结构的高分子表面活性剂。一端吸附在固体颗粒的表面上，另一端在空间自由地摆 动，摆动时其末端的轨迹在理想情况下近似一个球面。由于上述原因表面活性剂分子尾 部的摆动具有一定的动能，这将在固体颗粒周围形成一个保持距离的势垒，使具有v 觚d e r 两安石油大学硕二e 学位论文 w a a l s 力的势能、磁场势能、偶极子对势能的颗粒，都很难越过这个能垒而发生接触。如 图2 6 所示，加入高分子表面活性剂后粒子之间的总位能增大。磁流变体中的固相颗粒可 以考虑为圆球。o s e n s w e i g 等人在m a e k o r 的基础上得出了吸附于圆球表面的表面活性剂分 子链的排斥势能，图2 5 b 是其计算模型，两个直径为咖的球形颗粒，上面吸附有长度为j ( 幻表面活性荆包覆的磁性颗粒( b ) r e s e n w e i g $ - - 算模型 圈2 - 5 表面活性剂包覆的磁性微粒 j 型 捌 加入衰面活性剂前一、 总位能曲线 图2 - 6 吸附裹面活性剂后粒子之间的位熊变化曲线 的表面活性分子链，两颗粒之间的表面距离为d s ，r o s e n w e i g 等人经过严密的推导和运算， 得出当两个粒子相互接近时，其间具有的总排斥势能为【2 9 1 ： 1 4 第二章磁流变液的性质 e ：4 = r 粥巩l 一生一生! 丝l n 上生】(28)，z 2 6占 ( d ，2 ) 其中手为单位面积上吸附的长链分子数，f 杨助长链分子的热运动能，b 为固体颗粒半径。 由于表面活性剂的作用，固相颗粒间的总作用能增加( 图2 - 6 ) ，相互集聚的可能性大大 降低，从而使固体颗粒能在v a nd e rw a a l s 力作用下和布朗运动中不容易沉降。实验观测 结果表明，在同等条件下配制的磁流变液，加入表面活性剂后沉淀速度要慢得多。 2 3 4 纳米颗粒的加入对改善稳定性的作用 软磁性微米颗粒是磁多畴粒子，磁化后仍有少量剩余磁矩存在，为了克服剩余磁矩 产生的粒子间的磁吸引力，除了加入表面活性剂形成一定的空间位阻作用外，适当的加 入一些纳米粒子，可以在大的羰基铁粒子之间形成屏障，阻碍粒子的进一步团聚。纳米 物质的加入，使得它与溶剂共同构成的分散介质的密度增大，使分散介质与磁性粒子的 密度差减小，使两者的密度更加匹配；同时，纳米物质本身由于布朗运动能够克服重力 的作用，粒子均匀分散在溶剂中，在体系中不断运动和多次碰撞消耗磁性粒子下降的动 能，通过静电斥力和空间位阻来防止微米尺寸的磁性粒子聚集和沉降。高分散超细粉末 的微小粒子能凭借长程分子作用力使其固定在粗大粒子周围的能量极小处，形成一定的 空间结构。图2 7 为n m w e r e l e y 7 】等人在最新的研究中获得的三种不同粒径颗粒制备的 磁流变液在磁场作用下的透射电镜照片。纳米颗粒是利用高温分解法获得的粒径2 8 纳米 的纯铁颗粒，可以看出，混合粒子制备的磁流变液链状结构清晰，纳米颗粒在微米粒子 间形成搭桥作用，既增强了稳定性，又有望提高流变性。 ( a ) 徽米级( b ) 纳米级( c ) 徽纳来混合 图2 7 不同粒径的磁性液体在磁场作用下成链的透射电镜照片 7 1 2 4 磁流变液的再分散能力 磁流变渡的再分散能力( r e d i s p e r s i b i l i t y ) 是指磁流变液在重力场下发生沉降后，於 加一定扰动后磁性粒子再次悬浮的能力。磁流变液再分散能力越好，其工作性能越稳定， 两安石油大学硕士学位论文 工作寿命越长。磁流变液的再次分散能力取决于固体粒子之间的相互作用能。本节针对 磁性粒子之间的各种相互作用能进行分析，目的是定量衡量磁流变液的再分散能力，找 出其主要影响因素，为制备再分散能力优越的磁流变液奠定基础。 假设磁性粒子在基液中呈图2 8 的形式分布，可以基于磁偶极子模型计算出外加磁 场为零时软磁性颗粒之间的磁偶极矩： ，、1 m = l z 0 吩纠玎 ( 2 9 ) 其中m 为材料的剩磁，盹为真空磁导率，心= 4 1 7 x 1 0 w ( a m p e r e m ) ，a 为粒子之间的 平均距离，在无外加磁场时，两个软磁性粒子之间的作用能为： 矿：巡 “4 t r z o r 3 ( 2 1 0 ) 其中，p = 3 9 0 $ 2 1 为描述粒子之间排列方式的系数，p - 2 ，2 】。如果两粒子分布在 一条垂直线上，则夹角为零，此时p = 2 。 为了计算m r 液体中粒子之间的距离，假定体积百分比为0 3 3 的m r 液体中粒子按 简单的立方体形式排列： 圈2 - 8 固体粒子在磁漉变液中的立方体排列方式示意圈 对于如图2 5 所示的简单的立方排列方式，两个固体粒子中心的距离r = i 1 6 2 4 a 。表 面最短距离h = 0 1 6 2 4 5 a ，将胄与h 值代入( 2 1 0 ) 式中得： 匕：- - p ( i o m r ) 2 a 3 ( 2 1 1 ) ” 7 2 9 0 。 1 6 囤2 - 9 不同粒径范固的磁流变体系中粒子之间作用能赜瓤蛸之间的关系 西安石油大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先讨论了磁流变液的组成和流变模型，着重论述了磁流变液的稳定机理和纳 米粒子加入后对稳定性的增强机理。最后对磁流变液的再分散能力进行了定量分析。得 出以下结论： 1 磁流变体系属于热力学不稳定的粗分散体系，表面活性剂和纳米粒子的加入可以 防止粒子之间的团聚，改善体系的聚集稳定性。零磁场下静止的磁流变体中的固体粒子 肯定要发生沉降，但在外界扰动下或者磁场作用下可以保持动力学稳定。 2 合适的表面活性剂种类和用量可以保证固体粒子被充分润湿和均匀分散，不发生 团聚；良好的分散设备可以给体系提供足够的外力做功，保证粒子的均匀分散。 3 纳米粒子的加入可以填补在微米级粒子之间，形成一定的空间位阻作用，防止粒 子接近后因为剩磁作用而吸引团聚。 4 颗粒直径分布是决定磁流变流体聚集稳定性和动力稳定性的最主要因素，粒子的 剩磁吸引力是决定磁流变流体再分散能力的主要因素。要选择粒径适中、饱和磁化强度 高、剩磁小的磁性粒子作为固体粒子，才可以制备出流变性和稳定性都好的磁流变液。 1 8 第三章磁流交液的制备 第三章磁流变液的制备 磁流变液中固体粒子、表面活性剂以及载液的选择直接影响其性能。本章基于实验 分析，首先对磁流变液的组分材料进行筛选，然后重点研究纳米粒子的添加量和表面活 性剂用量对磁流变液磁沉降稳定性和